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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gussverfahren zur Herstellung eines Gewindekörpers, insbesondere eines Federstopfens, der zum Einschrauben in ein Gewinde oder bevorzugt zum Einschrauben in eine Feder geeignet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung Ausführungsformen eines solchen Gewindekörpers.
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Stand der Technik
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Gewindekörper werden in der Regel verwendet, um verschiedene Bauteile oder Vorrichtungen lösbar miteinander zu verbinden. So kann zum Beispiel ein Gewindekörper, und insbesondere ein Federstopfen, in eine Feder, die vorzugsweise aus Metall besteht, eingeschraubt werden, um ein anderes Bauteil lösbar mit der Metallfeder zu verbinden.
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Ganz allgemein werden Metallfedern verwendet, um Schwingungen zu dämpfen oder zu eliminieren. Zum Beispiel werden sie im Schienenfahrzeugbau verwendet, um schwere Lokomotiven oder Wagons abzufedern. Auch werden Metallfedern in Gebieten mit hohem Erdbebenrisiko eingesetzt, um Notstromaggregate, Generatoren oder ganze Häuser, auf „Federbetten“ zu lagern. Durch die gefederte Lagerung soll die Funktion der Aggregate gesichert oder im Extremfall der Einsturz von Häusern verringert bzw. ausgeschlossen werden.
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Um das Gewicht des Hauses gleichmäßig zu verteilen und die Belastung auf jede einzelne Stahlfeder und den entsprechenden Schraubstopfen so gering wie möglich zu halten, wird eine möglichst große Anzahl von Stahlfedern mit Schraubstopfen in einem Haus verwendet. Die Schraubstopfen im Stand der Technik werden durch Fräsen eines Gewindegangs aus einem zylindrischen Metallkörper gebildet. Dieser Herstellungsprozess ist zeitaufwendig und kostenintensiv. So ist es mit den Verfahren aus dem Stand der Technik schwierig und teuer, größere Stückzahlen, insbesondere im Bereich von etwa 100.000 oder mehr Schraubstopfen pro Jahr, wirtschaftlich und in einer angemessenen Zeit bereitzustellen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kostengünstiges und zeiteffizientes Verfahren zur Herstellung von Gewindekörpern, insbesondere von Federstopfen, bereitzustellen. Der Gewindekörper sollte dabei in seinen Eigenschaften bezüglich der Form, Härte und Haltbarkeit zumindest vergleichbar mit einem Gewindekörper sein, der mit herkömmlichen Verfahren hergestellt wurde.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eines oder mehrere der oben genannten Probleme werden erfindungsgemäß durch einen Gewindekörper gemäß Anspruch 1 und/oder Anspruch 12, und das Verfahren zum Herstellen eines Gewindekörpers gemäß Anspruch 30 und/oder Anspruch 31 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Insbesondere werden oben genannte Probleme gelöst durch einen Gewindekörper zum Einschrauben in ein Gewinde oder eine Feder, mit einem zylindrischen Körper, der in einem Gussverfahren hergestellt wurde, und einen nach außen gerichteten Gewindegang in Längsrichtung des zylindrischen Körpers aufweist, wobei der Gewindegang mindestens eine Aussparung aufweist, die es erlaubt, ein formidentisches Modell des Gewindekörpers bei der Herstellung einer Gussform durch Abformen des Modells, und/oder den Gewindekörper nach dem Gießen in einer Gussform, ohne Zerstörung der Gussform zu entformen.
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Die Herstellung eines solchen Gewindekörpers in einem Gussverfahren ermöglicht die gleichzeitige Herstellung einer Vielzahl von Gewindekörpern, wodurch diese zeit- und kostengünstig in einer Serienproduktion hergestellt werden können.
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Ein regulärer Gewindegang am Gewindekörper bildet selbst bei einer mehrteiligen Gussform Hinterschnitte, so dass eine Gussform beim Entformen zerstört werden würde. Eine Aussparung bedeutet, dass an der Stelle der Aussparung Material fehlt, so dass die Oberfläche dort von einem erwarteten Verlauf der Oberfläche, in Bezug auf vergleichbare benachbarte Stellen des Körpers, abweicht. Die oben genannten Aussparungen vermeiden bei einem Gussverfahren das Bilden von Hinterschnitten, so dass ein Modell des Gewindekörpers ohne Zerstörung der Gussform entformt bzw. der gegossene Gewindekörper aus einer Dauergussform entnommen werden kann. Beim Verwenden einer Dauergussform kann die Gussform wiederverwendet werden und das Herstellungsverfahren wird preiswerter, als wenn für jeden Gussvorgang eine neue Gussform hergestellt werden müsste bzw. ist die Entformbarkeit im Grünsandverfahren gegeben. Weiterhin ist eine Aussparung durch einen Vorsprung in der Gussform einfacher und preiswerte, als das Verwenden von einer größeren Anzahl von Formteilen/Kernen für eine Gussform, um Hinterschnitte zu vermeiden.
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Das Modell des Gewindekörpers muss formidentisch zu dem zu gießenden Gewindekörper sein, um eine entsprechende Gussform herzustellen. Insbesondere muss das Modell an der Gewindeseite, d.h. in Längsrichtung des Gewindekörpers, die identische Form des Gewindekörpers aufweisen. An den beiden Stirnseiten des Gewindekörpers kann das Modell anders ausgestaltet sein, als der Gewindekörper, kann aber auch dort identisch sein.
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Überraschend hat sich in Versuchen herausgestellt, dass der Gewindekörper trotz der Aussparungen seine Eignung etwa als Schraubstopfen beibehält, die Verbindung mit der Feder, in die der Stopfen eingeschraubt wird die benötigte Festigkeit aufweist, und das System die erforderlichen Bruch- und Schwingungstests besteht. Somit weist ein Gewindekörper mit Aussparungen die gleiche Eignung für bestimmte Aufgaben auf, wie ein vergleichbarer Gewindekörper ohne Aussparungen.
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Bevorzugt wird der Gewindegang ohne mechanische Bearbeitung, d.h. nur durch das Gussverfahren gebildet. Durch das Vermeiden einer mechanischen Bearbeitung tritt kein Materialverlust auf, zum Beispiel durch das Abarbeiten von Materialzugaben, und es sind keine zusätzlichen Arbeitsschritte, insbesondere kein Fräsen des Gewindegangs, notwendig. Durch das Weglassen einer mechanischen Bearbeitung können die Gewindekörper schneller und preiswerter hergestellt werden.
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Bevorzugt umfasst die Gussform zum Gießen des Gewindekörpers zwei Formhälften, wobei vorzugsweise jede Formhälfte mindestens 45%, noch bevorzugter mindestens 48%, insbesondere mindestens 49%, am bevorzugtesten ungefähr 50% des Umfangs von mindestens einem Teil des Gewindekörpers formt, und optional die Gussform wiederverwendbar ist.
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Der Gewindegang am Gewindekörper bildet in einer einteiligen Gussform Hinterschnitte, so dass die Gussform beim Entformen des Modells zerstört werden würde. Um eine wiederverwendbare Gussform zu verwenden, muss die Gussform demnach aus mehreren Formteilen bzw. Kernen zusammengesetzt werden. Bei solch einer zusammengesetzten Gussform möchte man die Anzahl der erforderlichen Formteile möglichst gering halten um Kosten für die Formteile zu sparen und den Zusammenbau zu vereinfachen. Demnach sind zwei Formhälften preiswerter herzustellen und einfacher zu einer Gussform zusammenzubauen als drei oder mehr Formteile oder Kerne.
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Bevorzugt ist die Gussform eine Dauergussform. Dadurch kann die Gussform wiederverwendet werden und Herstellungskosten können gegenüber einer verlorenen Gussform (einmalig zu benutzende Gussform) reduziert werden.
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Bevorzugt wird das Entformen bei einer Formschräge von höchstens 5°, bevorzugt von höchstens 3°, bevorzugter von höchstens 1°, und am bevorzugtesten von etwa 0°, durchgeführt. Das Entformen bei geringer oder gar keiner Formschräge ermöglicht es, die Aussparungen so klein wie möglich zu halten. Eine einfacher aufgebaute Gussform bzw. ihre Formhälften ist/sind wiederum preiswerter herzustellen. Überraschend hat sich in Praxistests herausgestellt, dass trotz keiner oder geringer Formschräge Modelle ausformen oder gegossene Gewindekörper aus Dauergussformen entnehmbar sind. Die mindestens eine Aussparung verhindert typischerweise das Bilden von Hinterschnitten in einer zweiteiligen Gussform, welche das Entformen des gegossenen Gewindekörpers aus der Gussform bzw. des Modells des Gewindekörpers aus der gebildeten Gussform ohne Zerstörung der Gussform verhindern. In dem an der Stelle der mindestens einen Aussparung Material weggelassen wird, tritt kein Hinterschnitt mehr auf, und das Modell kann entformt bzw. der gegossene Gewindekörper kann aus der Gussform entnommen werden.
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In der Regel wird zumindest ein Bereich an einer Oberfläche des Gewindekörpers, welcher einen Hinterschnitt bildet, nicht mit Gussmaterial gefüllt, und bildet eine der mindestens einen Aussparungen am Gewindegang des Gewindekörpers.
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Bevorzugt weist die zumindest eine Aussparung eine Tiefe von höchstens 5 mm, bevorzugter höchstens 3mm, noch bevorzugter höchstens 2 mm, und am bevorzugtesten höchstens 1,2 mm in Bezug auf die Oberfläche des Gewindekörpers ohne Aussparung auf.
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Je weniger Material entfernt wird desto stabiler bzw. funktionaler verbleibt der Gewindekörper und seine Verbindung mit dem Gegenstück, in das er eingeschraubt wird, unter Belastung an dieser Stelle. Durch eine sorgfältige Anpassung kann der Fachmann ein gutes Verhältnis erreichen, wobei Hinterschnitte vermieden werden und dennoch die Stabilität bzw. Festigkeit des Gewindekörpers erhalten bleibt.
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Bevorzugt weist die zumindest eine Aussparung eine Tiefe von höchstens 10%, bevorzugter höchstens 5% und noch bevorzugter höchstens 1,0% des Durchmessers des Gewindekörpers in Bezug auf die Oberfläche des Gewindekörpers ohne Aussparung auf. Die Anpassung wieviel Material am Gewindekörper entfernt wird, erfolgt vorteilhafterweise und Berücksichtigung des gesamten Gewindekörpervolumens, um ein optimales Verhältnis von Materialeinsparung und Stabilität bzw. Festigkeit des Gewindekörpers zu erhalten.
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Oben genannte Probleme werden auch gelöst durch einen Gewindekörper zum Einschrauben in ein Gewinde oder eine Feder, mit einem zylindrischen Körper, der in einem Gussverfahren hergestellt wurde und einen nach außen gerichteten Gewindegang in Längsrichtung des zylindrischen Körpers aufweist, wobei das Gussmaterial Gusseisen mit Kugelgraphit umfasst.
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Dieses Material ist preiswert, wodurch auch die Gewindekörper preiswert hergestellt werden können, was besonders bei den hohen benötigten Stückzahlen ein wichtiger Faktor ist. Insbesondere aber sind die mechanischen Eigenschaften des Materials, wie seine Härte und Duktilität, sehr gut geeignet, so dass der Gewindekörper die vorgeschriebenen Bruch- und Schwingungstests besteht.
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Bevorzugt ist das Gussmaterial EN-GJS-800-2. Da Gusseisen mit Kugelgraphit hervorragende mechanische Eigenschaften, eine relativ kostengünstige Herstellbarkeit sowie guten Bearbeitbarkeit aufweist, findet es breite Verwendung in der Industrie.
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Bevorzugt weist das Gussmaterial einen A5 Wert, der die minimale Bruchdehnung beschreibt, von höchstens 8%, bevorzugt höchstens 5% und noch bevorzugter von höchstens 2%, und mindestens 0,1%, bevorzugt mindestens 0,5% und noch bevorzugter mindestens 1% auf.
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Bevorzugt weist das Gussmaterial eine Brinellhärte, d.h. einen HB Wert, von höchstens 400, bevorzugt höchstens 350, und noch bevorzugter höchstens 330, und/oder mindestens 200, bevorzugt mindestens 220, und noch bevorzugter mindestens 250 auf.
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Um den hohen Belastungen im eingeschraubten Zustand zu widerstehen, sollte der Gewindekörper einen möglichst hohen HB Wert aufweisen.
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Bevorzugt weist das Gussmaterial eine Dehngrenze bzw. einen Rpo,2 Wert von höchstens 600N/mm2, bevorzugt höchstens 550N/mm2, und noch bevorzugter höchstens 500N/mm2, und mindestens 350N/mm2, bevorzugter mindestens 400N/mm2 und noch bevorzugter mindestens 450N/mm2 auf.
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Die 0,2% Dehngrenze Rpo,2 ist die Spannung, bei der die plastische Dehnung 0,2% beträgt. In der Praxis legt dieser Wert häufig die absolute Obergrenze der zulässigen Belastung eines Bauteils fest. Der Gewindekörper sollte daher einen hohen Rpo,2 Wert aufweisen, um möglichst belastbar im Einsatz zu sein.
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Bevorzugt weist das Gussmaterial eine Zugfestigkeit bzw. einen Rm Wert von höchstens 1000N/mm2, bevorzugt höchstens900N/mm2, und noch bevorzugter höchstens 800N/mm2, und mindestens 600N/mm2, bevorzugter mindestens 700N/mm2 und noch bevorzugter mindestens 750N/mm2 auf.
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Die Zugfestigkeit Rm gibt die maximal ertragbare technische Spannung an, bevor der Werkstoff unter Normprüfbedingungen reißt. Bei der höchsten Zugkraft, die auf den (Test-) Körper aufgebracht werden kann, wird die Zugfestigkeit Rm erreicht. Wird das Bauteil bzw. der Gewindekörper höher belastet, erfolgen Einschnürung und Bruch. Insbesondere an der äußeren Oberfläche des Gewindekörpers ist daher eine hohe Zugfestigkeit bevorzugt bzw. gewünscht, damit die Geometrie so belastbar als möglich ist.
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Bevorzugt wird die Form und Position der Aussparung mit Hilfe eines Computerprogramms berechnet. Die Bestimmung der Form und Position der Aussparungen kann auch mit Stift und Papier erfolgen, jedoch ist die Bestimmung mit Hilfe eines Computerprogramms schneller. Darüber hinaus sind mit dem Computerprogramm genauere Angaben bzw. Berechnungen möglich als bei einer herkömmlichen Berechnung. Die Ergebnisse der Berechnung können an ein anderes Computerprogramm, zum Beispiel zum Herstellen einer entsprechenden Gussform in einem 3D-Drucker, übertragen werden, was die Herstellungszeiten von Gussformen verkürzt.
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Das Computerprogramm zeigt beispielsweise Bereiche an einem digitalen Modell des Gewindekörpers an, welche Hinterschnitte in den entsprechenden Formhälften der Gussform bilden. Wenn die Bereiche, die Hinterschnitte bilden direkt graphisch markiert sind, sind diese Bereiche einfach zu erkennen, was die Entwicklung von passenden Gussformen vereinfacht und beschleunigt. Weiterhin ist ein einfaches Optimieren einer bestehenden Gussform mit Hilfe des digitalen Modells möglich.
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Ein erfindungsgemäßer Gewindekörper ist beispielsweise eine Schraube oder ein Federstopfen. Für die Schraube oder den Schraubstopfen ist eine beliebige Größe möglich, je nach Einsatzgebiet des Gewindekörpers. Eine Schraube wird normalerweise verwendet, um den Gewindekörper in ein Innengewinde einzuschrauben, während ein Schraubstopfen verwendet wird, um den Gewindekörper in eine Feder, insbesondere eine Metallfeder, durch Drehen einzubringen und so mit der Feder zu verbinden.
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Ein Gewindegang ist oder umfasst in der Regel ein(en) Vorsprung, der sich spiralförmig an der Außenseite um den zylindrischen Körper erstreckt, wobei der Vorsprung in einer Seitenansicht des Gewindekörpers vorzugsweise eine gauß‘sche glockenartige Form aufweist. Die gauß‘sche Glockenform des Vorsprungs bildet eine breite Verbindung des Vorsprungs zum zylindrischen Körper und schmale Eingreifbereiche im gegenüberliegenden Innengewinde bzw. der Feder, wodurch weniger Material nötig ist und dennoch eine stabile Verbindung hergestellt wird.
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Bevorzugt weist der Gewindegang an seiner äußeren Umfangsoberfläche, gesehen in radialer Richtung von einer Mittelachse in Längsrichtung durch den Gewindekörper, eine konvex abgerundete, bevorzugter eine halbkreisförmig konvex gekrümmte Oberfläche in Richtung der Längsachse des Gewindekörpers auf bzw. weist die äußere Umfangsoberfläche des Gewindegangs keine scharfkantige Kontur auf. Die gauß‘sche Glockenform der Kontur der äußeren Umfangsbereiche bildet eine abgerundete Oberfläche ohne scharfe Kante. Die abgerundete Oberfläche reduziert das Verletzungsrisiko für den Handwerker bei der Montage und reduziert auch das Risiko, dass Teile der äußeren Umfangsbereiche abbrechen. Weiterhin vermeidet eine abgerundete Oberfläche eine Beschädigung des Innengewindes bzw. der Feder beim Einschrauben.
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Bevorzugt weist der Gewindekörper ein Innengewinde auf, welches entlang der Mittelachse des Gewindekörpers in Längsrichtung verläuft, und das bevorzugt mechanisch eingebracht wird, d.h. nicht bereits durch das Gießen erzeugt wird. Das Innengewinde bietet eine einfache, stabile und dennoch lösbare Verbindung des Gewindekörpers zu einem weiteren Bauteil. Durch das mechanische Einbringen ist es einfach herzustellen. Das weitere Bauteil befindet sich im eingeschraubten Zustand zudem im Lot mit der Einschraubrichtung des Gewindekörpers, wodurch es exakt dazu ausgerichtet werden kann bzw. ist.
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Bevorzugt ist eine Öffnung des Innengewindes auf einer ersten Stirnseite des Gewindekörpers angeordnet. Die erste Stirnseite des Gewindekörpers ist die Seite in Längsrichtung des Gewindekörpers, an der eine Verbindung zu einem weiteren Bauteil sinnvoll ist, also die Seite des Gewindeköpers, die der Seite mit der er in ein Innengewinde oder eine Feder eingeschraubt wird gegenüber liegt. Der Gewindekörper ist durch die nicht-vollständige Durchbohrung stabiler, als bei einer vollständigen Durchbohrung des Innengewindes durch den Gewindekörper.
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Bevorzugt weist der Gewindekörper ein perlitisches Grundgefüge auf, insbesondere ein rein perlitisches Grundgefüge.
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Bevorzugt wird der Gewindekörper mit einer Wärmebehandlung behandelt. Die Wärmebehandlung findet nach dem Gießen statt. Sie dient der Sicherung des Grundgefüges.
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Bevorzugt weist das Material des Gewindekörpers (1) im Innenbereich (18) des Gewindekörpers einen anderen Festigkeitsverlauf auf, als im Außenbereich (16). Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das Material eine Zugfestigkeit im Außenbereich (16) von mindestens 780, bevorzugt mindestens 790, noch bevorzugter mindestens 800 N/mm2 und im Innenbereich (18) von höchstens 775, bevorzugt höchstens 770, noch bevorzugter höchstens 760, und am bevorzugtesten höchstens 750 N/mm2 aufweist.
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Der fertige Gewindekörper ist somit außen sehr hart, um ein Verformen bei Beanspruchung zu vermeiden. Gleichzeitig ist der Gewindekörper innen relativ weich, wodurch es zu einem besseren Dehneffekt bei Beanspruchungen kommt.
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Bevorzugt weist die Oberfläche (12) des Gewindekörpers (1) eine raue Oberfläche (12) auf. Die Rautiefe (Rz) ist vorteilhaft mindestens 50, bevorzugt mindestens 60, noch bevorzugter mindestens 70, und am bevorzugtesten mindestens 80 µm, und vorteilhaft höchstens 120, bevorzugt höchstens 110, noch bevorzugter höchstens 100, und am bevorzugtesten höchstens 90 µm.
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Die Rauheit der Oberfläche erzeugt eine zusätzliche Fixierung bei der Positionierung des Gewindekörpers beim Einschrauben in die Feder. Weiterhin erzeugt die raue Oberfläche eine bessere Griffigkeit des Gewindekörpers bei der Montage. Dadurch kann der Gewindekörper besser gegriffen werden und gleitet einem Handwerker nicht so leicht aus der Hand, was die Handhabung erleichtert und das Verletzungsrisiko senkt.
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Oben genannte Probleme werden auch gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Gewindekörpers, zum Einschrauben in ein Gewinde oder eine Feder, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- - Herstellen einer Dauergussform aus zwei Formhälften, zum Gießen des Gewindekörpers, wobei die Gussform mindestens einen Vorsprung aufweist, der einem Bereich entspricht, welcher einen Hinterschnitt in der Gussform bildet;
- - Gießen des Gewindekörpers in der Dauergussform; und
- - Entformen des Gewindekörpers aus der Dauergussform, wobei die Gussform vollständig erhalten bleibt.
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Weiterhin werden die oben genannten Problem gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Gewindekörpers zum Einschrauben in ein Gewinde oder eine Feder, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- - Bereitstellen eines formidentischen Modells des Gewindekörpers, wobei das Modell Aussparungen aufweist, welche das Bilden von Hinterschnitten verhindern;
- - Herstellen einer Gussform aus zwei Formhälften durch Abformen des formidentischen Modells des Gewindekörpers (1);
- - Entformen des Modells des Gewindekörpers (1) aus der Gussform, wobei jede Formhälfte vollständig erhalten bleibt;
- - Gießen des Gewindekörpers (1) in der Gussform;
- - Entformen des Gewindekörpers (1) aus der Gussform.
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Weiterhin werden oben genannte Probleme auch gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Gewindekörpers zum Einschrauben in ein Gewinde oder eine Feder, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- - Gießen des Gewindekörpers in der Gussform, wobei das Gussmaterial Gusseisen mit Kugelgraphit umfasst.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt:
- 1 eine dreidimensionale Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gewindekörpers;
- 2 eine seitliche Darstellung eines Computermodells einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gewindekörpers;
- 3 eine schematische Seitenansicht eines Teilbereichs einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gewindekörpers;
- 4 eine erste perspektivische Seitenansicht einer dreidimensionalen Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gewindekörpers;
- 5 eine zweite perspektivische Seitenansicht einer dreidimensionalen Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gewindekörpers;
- 6 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gewindekörpers;
- 7 eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie A-A aus 6; und
- 8 eine schematische Seitenansicht des Gewindekörpers aus 6.
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Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Die 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gewindekörpers 1, wobei der Gewindekörper 1 ein Schraubstopfen ist. Die dargestellte Ausführungsform des Gewindekörpers ohne Innengewinde 40 und Montagehilfslöcher 9 hat in etwa eine Masse von 2,78 Kg und weist eine Höhe und einen Durchmesser von ca. 10 cm auf. In anderen Ausführungsformen können der Gewindekörper andere Dimensionen aufweisen, insbesondere einem Durchmesser von 5 mm bis zu 1000 mm.
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Der in 1 dargestellte Gewindekörper 1 wurde in einem Gussverfahren hergestellt. Die Gussform kann eine Dauergussform sein, beispielsweise aus Metall, oder eine Gussform, die nur einmal verwendet wird („verlorene Form“), beispielsweise eine Sandgussform. Dauergussformen sind dazu geeignet, mehrfach abgegossen zu werden und bestehen beispielsweise aus Stahl. Bei der Sandgussform wird zuerst mit Hilfe eines Modells des Gewindekörpers, etwa aus Holz, die Gussform hergestellt, indem das Modell in Sand abgeformt wird (ein Abdruck des Modells genommen wird) und das Modell dann aus der Gussform entfernt („entformt“) wird. Anschließend wird der Gewindekörper in der Sandgussform gegossen. Beim Entnehmen (Entformen) des gegossenen Gewindekörpers wird die Sandgussform dann typischerweise zerstört.
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Der Gewindekörper 1 aus 1 weist eine Aussparung 30 am Gewindegang 20 auf. Die Aussparung wirkt sich im Wesentlichen auf die Breite der äußeren Umfangsfläche 24 des Gewindegangs 20 in diesem bestimmten Bereich aus, wobei die äußere Umfangsfläche 24 dort deutlich schmaler ist, als an den Bereichen ohne Aussparung. Weitere Aussparungen 24 sind möglich und befinden sich insbesondere auch symmetrisch auf der Rückseite des Gewindekörpers 1 in 1. In einer Ausführungsform führt eine beidseitig entfernte Aussparung zu etwa 0,007 Kg weniger Masse, was etwa 0,25% der Masse des Gewindekörpers 1 entspricht.
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Die seitliche Oberfläche 12 des Gewindekörpers 1, die den Gewindegang 20 umfasst, ist rau, insbesondere im Vergleich zu den Oberflächen der beiden gegenüberliegenden Stirnseiten 5, 7 des Gewindekörpers 1.
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Das Material des Gewindekörpers 1 ist in einer Ausführungsform Gusseisen mit Kugelgraphit, d.h. eine Gusseisensorte, bei der der enthaltene Kohlenstoff in kugeliger Form vorliegt, auch mit „GJS“ bezeichnet wird, insbesondere GJS-800-2, mit einem A5 Wert (minimale Bruchdehnung) von etwa 2%, einem HB Wert (Brinellhärte) von 250-330, einem Rpo,2 Wert (0,2% Dehngrenze) von 500N/mm2 und einem Rm Wert (Zugfestigkeit) von 800 N/mm2. Das Grundgefüge ist bevorzugt perlitisch.
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Die 2 zeigt ein digitales Modell 3 einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gewindekörpers 1 in einer seitlichen Ansicht. Die Mittelachse M stellt dabei eine Trennlinie zwischen den beiden Formhälften (nicht dargestellt) dar, aus der die Gussform zusammengesetzt ist. Die mit einer gestrichelten Linie umrandeten Gebiete 32 stellen dabei Flächen bzw. Volumen dar, welche Hinterschnitte in der zusammengesetzten Gussform bilden. Diese nicht-aushebenden Bereiche 32 können nicht ausgeformt werden. Durch die graphische Darstellung sind diese Bereiche 32, ihre Form und Position in dem digitalen Modell 3 der 2 leicht zu erkennen. Daher kann eine Gussform mit Hilfe dieses digitalen Modells 3 einfach und schnell auf eine geeignete Gussform, zum Beispiel ohne Hinterschnitte, optimiert werden.
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Eine schematische Zeichnung des durch den Unterkasten geformten Teils des Gewindekörpers 1 ist in 3 dargestellt. Die Kontur der Oberflächenform des Gewindekörpers 1 wird in 3 als durchgängig schwarze Linie 20, 22 markiert, für Bereiche ohne eine Aussparung. Die Linien bzw. Konturen wurden mit Hilfe eines Computerprogramms berechnet. Auch die Kontur der Oberfläche in einem Bereich mit Aussparung behält die gauß‘sche Glockenform in etwa bei und weist abgerundete äußere Umfangsflächen 24 auf.
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Die 4 und 5 zeigen jeweils eine dreidimensionale, perspektivische Ansicht aus jeweils unterschiedlicher Richtung. Die Aussparungen 30 sind in den beiden Ansichten als schwarze Flächen markiert, in der Realität sind sie jedoch kleine Volumen von Material, das an diesen Stellen weggelassen wurde, gegenüber den Bereichen der Oberfläche 12 ohne eine Aussparung 30, d.h. der Idealform des Gewindekörpers. Die Aussparungen 30 sind dabei spiegelsymmetrisch auf beiden Seiten des Gewindekörpers angeordnet, wie man aus den unterschiedlichen Blickwinkeln in 4 und 5 erkennen kann. Ohne diese beidseitigen Aussparungen gäbe es Hinterschnitte in der Gussform, wodurch das Modell des Gewindekörpers nicht aus einer Sandgussform entformbar wäre oder der gegossene Gewindekörper nicht aus der wiederverwendbaren Dauergussform entnehmbar wäre.
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Die 6 zeigt eine Draufsicht auf den Gewindekörper 1 und seine erste Stirnseite 5. Das Innengewinde 40 ist mittig in dem zylindrischen Körper 10 angeordnet. Der Durchmesser des Innengewindes beträgt in etwa 3 cm, er kann jedoch je nach Ausführungsform variieren.
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Die 7 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A aus 6. Die Bohrung für das Innengewinde 40 reicht in der dargestellten Ausführungsform etwas bis zur Mitte des Gewindekörpers 1. Unterhalb des Innengewindes 40 in 7 ist der Gewindekörper 1 unbearbeitet. Der Bereich des Gewindekörpers 1, der nah an dem Innengewinde 40 bzw. der Mittelachse M liegt wird als Innenbereich 18 bezeichnet. Der Bereich des Gewindekörpers 1, der entfernt von der Mittelachse M und radial weiter an der Oberfläche 12 des Gewindekörpers 1 liegt, wird als Außenbereich 16 bezeichnet.
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Die 8 zeigt den Gewindekörper aus 6 in einer seitlichen Ansicht. Der Durchmesser D1 des Gewindekörpers 1 an der ersten Stirnseite 5 kann gleich groß oder größer sein als der Durchmesser D2 des Gewindekörpers 1 an der zweiten Stirnseite 7. Wenn der Durchmesser D2 kleiner ist als der Durchmesser D1, weist der Gewindekörper 1 eine konische Form auf. Der Durchmesser D2 ist in einer Ausführungsform etwa 0,5 bis 1 mm kleiner als der Durchmesser D1. In einer anderen Ausführungsform ist er nicht oder kaum konisch, wobei der Unterschied zwischen der Größe des Durchmessers D1 des Gewindekörpers 1 an der ersten Stirnseite 5 und der Größe des Durchmessers D2 an der gegenüberliegenden Stirnseite 7 höchstens 0,5%, bevorzugt höchstens 0,3%, und noch bevorzugter höchstens 0,1% beträgt.
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Mit dem hier vorgestellten Herstellungsverfahren sind Gewindekörper und gewindeähnliche Bauteile ohne Außenkern ausformbar und gießfähig. Die hierin beschriebenen Gewindekörper weisen eine geeignete Oberflächenbeschaffenheit auf, die mit Gewindekörpern, die auf herkömmliche Weise voll mechanisch bearbeitet bzw. hergestellt wurden, vergleichbar ist. Der verwendete Werkstoff GJS mit den beschriebenen mechanischen Eigenschaften weist eine geeignete Festigkeit und Duktilität auf. In anderen Ausführungsformen kann jedoch auch ein anderer Werkstoff mit vergleichbaren chemischen und physikalischen Eigenschaften verwendet werden.
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Das Herstellungsverfahren beginnt mit dem Erstellen eines digitalen Modells 3 des zu gießenden Gewindekörpers 1 mit Hilfe eines Computers. In dem digitalen Modell 3 sind Bereiche 32 zu erkennen, welche Hinterschnitte in einer Gussform bilden. Durch Simulationen und Optimierungen am Computer bzw. dem digitalen Modell 3, werden diese Bereiche 32 beseitigt. Gleichzeitig wird vom Fachmann darauf geachtet, dass bestimmte Maße und Dimensionen des Gewindekörpers 1 erhalten bleiben, damit der Gewindekörper 1 mit einem in einem herkömmlichen Fräsverfahren hergestellten Gewindekörper vergleichbar ist und für die gleichen Aufgaben zuverlässig eingesetzt werden kann. Das der optimierte Gewindekörper 1 zuverlässig eingesetzt werden kann, wird nach der Herstellung von Prototypen in mehrmonatigen Bruch- und Schwingungstests überprüft.
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Aus dem erzeugten digitalen Modell 3 wird bei Verwendung einer Sandgussform ein Modell des Gewindekörpers erzeugt, beispielsweis aus Holz. Das Modell wird anschließend in Sand eingebracht, um das Modell abzuformen und die Gussform zu bilden. Der Sand kann natürlich oder chemisch gebunden sein. Das Modell wird nach dem Bilden der Gussform aus der Gussform entfernt („entformt“). Alternativ kann eine metallische Dauergussform hergestellt werden.
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Die Gussform ist ein Negativ des Gewindekörpers 1 und besteht aus zwei Formhälften. Nachdem die beiden Formhälften der Gussform hergestellt wurden, werden sie zusammengesetzt und bilden die vollständige Gussform. Das Gussmaterial wird beim Gießen in die Gussform gefüllt. Nach dem Abkühlen des gegossenen Gewindekörpers und der Gussform, werden die beiden Formhälften zu beiden Seiten vom Gewindekörper entfernt. Beim Entnehmen (Entformen) des gegossenen Gewindekörpers aus einer Sandgussform wird diese typischerweise zerstört; eine Dauergussform wird wiederverwendet.
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Eine etwaige Nut aus überschüssigem Gussmaterial an der Außenseite des Gewindekörpers entlang der Verbindungsfläche der beiden Formhälften wird danach mechanisch, vorzugsweise durch Fräsen, entfernt.
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Der reine Gewindekörper ist dann fertiggestellt. Optional kann anschließend ein Innengewinde und/oder mehrere Einschraublöcher in den Gewindekörper mechanisch eingebracht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gewindekörper
- 3
- digitales Modell eines Gewindekörpers
- 5
- erste Stirnseite
- 7
- zweite Stirnseite
- 9
- Montagehilfslöcher
- 10
- zylindrischer Körper
- 12
- Oberfläche
- 14
- Außenseite
- 16
- Außenbereich
- 18
- Innenbereich
- 20
- Gewindegang
- 22
- Vorsprung
- 24
- äußere Umfangsoberfläche
- 30
- Aussparung
- 32
- Bereich der einen Hinterschnitt bildet
- 34
- Kontur der Oberfläche an einer Aussparung
- 40
- Innengewinde
- 42
- Öffnung
- D1
- Durchmesser an der ersten Stirnseite
- D2
- Durchmesser an der zweiten Stirnseite
- L
- Längsrichtung
- M
- Mittelachse